耐腐蚀换热器用聚四氟乙烯的改性与应用现状

春天来了

石油、化工、制药、轻工等行业迫切需要耐腐蚀性能优良的高效换热设备, 以解决腐蚀性介质造成换热设备易腐蚀、寿命短、易老化、能耗高等问题。

长期以来, 可供选择的一种设备是合金材料制造的管壳式或板式换热器如管壳式、硬铅列管式、不锈钢板、钦板、镍板式换热器, 另一种设备是非金属材料制造的各类换热器如石墨列管式、石墨块孔式、聚丙烯或聚四氟乙烯列管式换热器。但前者耐腐蚀性差且价格昂贵, 后者换热效率低。聚四氟乙烯不仅具有突出的耐腐蚀能力, 用作换热器材料还具有表面光滑不吸附污垢、抗污塞性能好的优点。但其主要缺点是力学性能和导热性能较差, 在较低的温度和小应力情况下会发生冷流蠕变, 加工性能也较差。为解决这些问题, 研究者对其进行了改性, 改性的目前已应用于板式换热器和板翅式换热器的制造。

作者主要针对聚四氟乙烯在换热器中应用存在的不足, 对聚四氟乙烯在力学性能、导热性能、耐腐蚀性和加工性能等方面的改性与应用现状进行了综述, 为今后的研究提供借鉴。

PTFE在换热器中的应用

20世纪60年代美国杜邦公司率先将下换热器应用于工业生产, 此后一些工业发达国家也开发成功并实现了商品化生产。主要结构采用挠性薄软管组成管束, 构成管壳式或浸液式换热器。盐水处理工业的经济性评估显示, 氟塑料管壳式的运行费用为金属管壳式换热器的33%~66%。

但管壳式或浸液式PTFE换热器也存在着导热性能差、加工性能不好等问题。为了利用成熟的高效换热器的结构, 在金属换热器表面喷涂氟塑料涂层似乎是比较可行的方法, 但氟塑料稳定的化学性能和不粘性限制了它的应用。最近已开发成功氟塑料偶联剂, 将其涂在金属表面, 在高温下形成过渡膜, 可使氟塑料层牢固地粘结在基体金属表面。关于钢制管壳式换热器的换热管和板式换热器的板片上制备涂层的研究均有报道, 并成功用于腐蚀性或易结垢介质。但是, 由于氟塑料涂装换热器须多层涂装、多次高温烧结, 所需专用大型设备较多, 所以能耗较大, 成本较高。

PTFE的改性
针对塑料换热器导热系数小、强度低和加工性能差等问题, 国内外开展了大量的改性研究。目前,PTFE的改性主要采用复合的方法, 包括表面改性、填充改性、共混改性等。

导热性能和力学性能
改进导热性能的无机导热填料中, 石墨是可以与金属相比的优良热导体, 由石墨填充改性的具有优良的导热性、耐化学腐蚀性圈但随着石墨含量的增多, 材料的拉伸性能不断下降, 当含量超过后, 拉伸性能下降迅速。
常用的改善PTFE力学性能的填充剂主要有玻璃纤维、碳纤维和二硫化钥等无机填料。其中, 碳纤维具有优良的力学性能、耐腐蚀性和材料稳定性,同时, 高品质的石墨纤维与高分子基体有较好的相容性, 与PTFE复合后具备良好的耐腐蚀性和耐老化性能。
导热性能和力学性能的改善需要统筹兼顾, 考虑耐腐蚀用途以及经济性等多方面的因素, 以石墨与碳纤维作为改性添加剂是合理的选择。添加石墨与碳纤维在提高材料热导率与强度的同时, 也可限制、减缓冷流的发生。